基于传感器阵列的嗅觉机器人及搜寻算法研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2.1生物的嗅觉机理嗅觉是动物5种基本生理感觉中的一种，尽管嗅觉不如视觉与听觉用的频繁，但不论是低等动物还是高等动物，嗅觉都具有重要的作用。说到生物的嗅觉机理，我们应该首先感谢2004年诺贝尔生理学或医学奖得主美国科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克。正是他们通过开拓性的工作揭开了生物嗅觉的神秘面纱。他们发现了“气味受体和嗅觉系统的组织”，从而阐明[7]了人类嗅觉系统的工作方式。使一直处于探索阶段的对复杂嗅觉的形成原理和过程的研究向前迈进了一大步。人或自然界中的其他生物通过嗅觉来检测和区别周围环境中的化学物质的过程可以通过图1-1得到了解。图1-

2、1人的嗅觉机理示意图Fig.1-1Sketchofhumanolfaction嗅觉系统能识别和分辨大量不同的气味分子的过程如下：嗅觉起始于嗅神经元纤毛上的嗅觉受体与气味分子的相互作用，嗅觉受体是位于嗅上皮内的嗅神经元，它能传导嗅觉信号，激活一系列生物化学反应，使嗅神经元细胞产生动作电位。嗅神经元把动作电位传导到大脑前端的嗅球，嗅觉信号在嗅球中经过加工、修饰和编码后通过嗅球的输出神经元投射传导到大脑皮-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[8]层，在那里嗅觉信号获得更高水平的处理，以形成对气味的识别和感知。7生理研究表明，人的一个鼻孔里含有大约5.0×10个嗅感受器细胞，单个嗅细胞

3、的生存期只有22天左右，灵敏度并不很高，至今还没有发现只对一种化学成分有反应的嗅细胞，尽管如此，大脑和神经信号处理部分不仅能去除信号的漂移，使整体灵敏度提高三个数量级以上，而且还能使整体选择性、可靠性和重复性等获得很大的提高。这说明，人的嗅觉系统对气味的识别能力是由大量性能彼此重叠的嗅感受器细胞、嗅神经传递与处理部分和大脑共同作用的结果，大脑和嗅神经在其中起着十分关键的作用。按照本项目之前开展的工作，本文将人的嗅觉系统的结构分为三个层次[9,10]：（1）初级嗅觉神经元，它由嗅觉传感器和嗅觉神经组成，对气味有很高的灵敏度，但交叉灵敏度也很高；（2）二级嗅觉神经元，它是负责嗅觉信

4、号初级处理的部位，对初级嗅觉神经元传递过来的信息进行调节、放大、抑制等，完成信号特征提取；（3）嗅觉中枢，它是高级信息处理中心，负责信号的彻底加工，并做出判断。气味的识别是输入的嗅觉模式与先前学到的模式相比较后得到的结果。嗅觉系统框图如图1-2所示。嗅神经气味嗅细胞嗅小球僧帽细胞粒状细胞层嗅觉中枢嗅泡图1-2人的嗅觉系统框图Fig.1-2Blockdiagramofhuman’solfactionsystem1.2.2生物搜寻气源的方式我们知道，昆虫和其他的动物在他们的各自的行为过程中都会使用到嗅觉，例如识别和确定食物的位置、发现敌人、寻找配偶、生殖隔离和趋避捕[7]食者等等。

5、但是不同的物种搜寻气源策略却是不同的。现在移动机器人嗅觉导航使用的算法大多是对生物嗅觉导航的仿生。主要集中在以下几种搜寻策略的研究上：（1）细菌的化学向性细菌是微型生物，他们太小而不能在他们躯体的长度方向上测量气体的浓度梯度。在一个恒定的环境中，运动的细菌一般随机的在直线上运动，并不时的短时间的反向运动，用来确定下一步的运动方向。细菌按照环境的变化来控制反向的可能性。如果在一次运动中，细菌-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发现条件正在改良，将禁止反向以继续在这个合适的方向上运动。如果条件正在变坏，前进的路径就会变短并且改变方向的频率会增加，直到他们找到另一个合适的方向运动。这

6、种机制的效果使这种随机的移动趋向引诱剂所在的方向而不是相反方向。（2）雄性蚕蛾的信息素搜寻1959年，AdolphButenandt成功的破解[11]了雌性蚕蛾释放的性引诱物的化学结构，并将这种物质命名为蚕蛾醇。同年，Karlson和Luscher提出了“信息素”这个术语作为这种物质的代名词。Landolt等对粉纹夜蛾（Trichoplusiani）雄蛾求偶行为进行了研究，他们发现雌蛾腹部末端的味刷释放雄性信息素，可以吸引几米外的雄蛾。然后[12]雄蛾逆向飞行呈现典型的“之”字形运动寻找雌蛾。当一个雄性蚕蛾探测到蚕蛾醇，它将以下列运动规则去寻找那只散发信息素的雌性蚕蛾（示意如图

7、1-3所示）：（a）逆风方向飞行；（b）以“之”字形运动，穿过气味烟羽的纵向；（c）若丢失气味烟羽，雄性蚕蛾将飞行一个圆形的轨迹回到可以感受到气味的区域。图1-3雄性蚕蛾追踪一个雌性蚕蛾释放的信息素Fig.1-3Malemothstrackingaplumeofsexualpheromonereleasedbyafemale1.3人工嗅觉系统的研究现状1.3.1人工嗅觉系统的结构人工嗅觉系统即电子鼻，是一种化学分析仪器。模拟生物的嗅觉机理，人工嗅觉系统结构也可以分为三个层次，它一般由传感器阵